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物理氣相沉積(PVD)介紹
發(fā)布時(shí)間：2017-04-01
雖在IC晶片制造程序上，必然會(huì)使用到各種不同種類的導(dǎo)體，而低電阻的金屬就常使用在微電子電路的電子訊號(hào)連結(jié)上。而各類金屬薄膜制作過程，也就成為電子電路必備的制作程序之一。物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition)是以物理機(jī)制來(lái)進(jìn)行薄膜沉積技術(shù)，所謂物理機(jī)制就是物質(zhì)的相變化，如蒸鍍(Evaporation)、濺鍍(Sputtering)。而這種過程無(wú)涉及化學(xué)反應(yīng)，因此所沉積的材料純度佳且品質(zhì)穩(wěn)定。而PVD的濺鍍制作過程，可以達(dá)成快速的沉積速率、準(zhǔn)確的沉積厚度控制、精確的成份控制及較低的制造成本。所以濺鍍是目前半導(dǎo)體工業(yè)所大量采用的薄膜制作方式，以目前之金屬化制作過程來(lái)看：Ti、Ta、TiN、TaN等所謂的反擴(kuò)散層或是黏合層及導(dǎo)線連接Al/Cu，都可使用物理氣相沉積法來(lái)完成。本文將淺略的介紹PVD的種類、原理、先天的缺陷以及克服缺陷的方式，讓閱讀者對(duì)PVD有初步的認(rèn)識(shí)。
PVD的種類與原理
1.1、蒸鍍(Evaporation)
蒸鍍?cè)?圖1、圖2)是在高真空腔體中，放入所要蒸鍍的材料，利用電熱絲或電子束加熱升溫達(dá)到熔化、氣化溫度，使材料蒸發(fā)，到達(dá)并附著在基板(晶圓)表面上的一種鍍膜技術(shù)。在蒸鍍過程中，被鍍物的表面溫度對(duì)蒸鍍所形成的薄膜的特性有很重要的影響。基板須要適當(dāng)加熱，使得蒸鍍?cè)涌梢栽诨灞砻孀杂梢苿?dòng)，如此才能形成均勻的薄膜。基板加熱至150℃以上時(shí)，可以使沉積膜與基板間形成良好的鍵結(jié)而不致剝落。
1.2、濺鍍(Sputter)
Sputter是利用在高真空的環(huán)境下，反應(yīng)室通入適當(dāng)?shù)臍怏w(大多使用氬氣Ar)，并控制在適當(dāng)?shù)膲毫ο拢磻?yīng)室內(nèi)的自由電子去撞擊Ar分子，造成Ar的解離，產(chǎn)生二次電子與Ar離子，Ar離子受到靶材上負(fù)電位的影響，加速去撞擊靶材，將靶材上的金屬給撞擊下來(lái)，并沉積在晶片表面上。(圖3)靶材的冷卻則是當(dāng)靶材不斷受到高能量(溫度與速度)的Ar離子轟擊，會(huì)使得靶材的溫度持續(xù)升高，溫度過高將破壞靶材與周邊治具的結(jié)合，因此必須冷卻。一般靶材都是用水冷卻，冷卻水流過靶材背面將熱量帶走，達(dá)到冷卻的目的。
絕緣材料的濺鍍乃絕緣薄膜須利用射頻濺鍍或反應(yīng)濺鍍。若采用直流電濺鍍，將造成靶材表面電荷持續(xù)堆積而無(wú)法濺鍍。電荷持續(xù)堆積過量，可能瞬間放電，產(chǎn)生高能高熱，損壞靶材與周邊。例如TiO2、Ta2O3?等。所謂反應(yīng)濺鍍(Reactive Spuutering)是濺鍍時(shí)將反應(yīng)性氣體加入腔體中進(jìn)行反應(yīng)。例如：在氬氣加氮?dú)獾沫h(huán)境下濺鍍鈦，會(huì)形成氮化鈦(TiN)。
PVD鍍膜技術(shù)特殊效應(yīng)與現(xiàn)象
Sputter其主要鍍膜優(yōu)點(diǎn)是純度高、低溫可形成薄膜，而其最大的缺點(diǎn)就是階梯覆蓋率(Step Coverage)比較差(相較于CVD)。濺鍍本身受到濺射原子多方向與多角度散射的影響下，不易在非水平表面下，得到連續(xù)且均勻覆蓋(Conformal)的薄膜。當(dāng)制作過程線寬極小化的時(shí)后，用傳統(tǒng)PVD鍍膜的方式就有其缺陷存在。圖4為階梯覆蓋率不良的示意圖。
階梯覆蓋率改善的方式
2.1、基板加溫：加熱基材表面，使封口時(shí)機(jī)延后
2.2、使用準(zhǔn)直管(圖5)
2.3、使用力場(chǎng)將粒子移動(dòng)方向拉直(圖6)
物理氣相沉積(PVD)是目前在半導(dǎo)體制作過程中，最被廣泛與常態(tài)運(yùn)用于金屬薄膜、金屬氮化物、氧化物的鍍膜技術(shù)。雖然在小線寬的薄膜沉積能力，化學(xué)氣相沉積有較優(yōu)的效果，即便如此PVD仍可透過各種不斷創(chuàng)新的制作過程技術(shù)與設(shè)備去克服小線寬階梯覆蓋率不良的問題。因此物理氣相沉積法仍在半導(dǎo)體制作過程上，依舊占有著舉足輕重、不可或缺的關(guān)鍵性角色。目前各項(xiàng)薄膜技術(shù)中，PVD成膜速度及薄膜純度等優(yōu)點(diǎn)，仍是PVD最大的優(yōu)勢(shì)。相信在可預(yù)見的未來(lái)，半導(dǎo)體及相關(guān)電子產(chǎn)業(yè)界，物理氣相沉積仍是不可能被取代。
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